Page 69 - 《爆炸与冲击》2026年第9期

第 46 卷 张世文，等： 空心炸药爆炸加载下单双层金属柱壳的膨胀断裂行为 第 9 期

层柱壳的内、外径分别为 97.5、100 mm，壁厚为 Detonator 5 Cover
Charge
1.25 mm；主炸药为高能炸药（high explosive，HE）
TNT
PBX（polymer bonded explosive）柱状空心炸药， Ø20 45 15
其 内 、 外 径 分 别 为 70、 90 mm； 传 爆 药 直 径 为 PBX 60 102
Ø70
20 mm，高度为 5 mm。设置中心点起爆，通过厚
度为 45 mm 的 TNT（trinitrotoluene）过渡引爆空 Shell Ø90 60 DPS probe
心炸药。高速摄影和 DPS 阵列速度测点角度分 Ø100
布如图 2 所示，其中：A 区包含 13 个小光斑测速 60
探头，相邻测点间隔为 0.7°；B 区包含 16 个小光
斑测速探头，相邻测点间隔为 4°；C 区包含 16 个
中型光斑测速探头，相邻测点间隔为 4°，与 B 区
测点交错排布；D 区包含 13 个中型光斑测速探 图 1 柱壳实验装置及测点布局（单位：mm）
头，相邻测点间隔为 1.4°。任国武等 [18] 详细阐述 Fig. 1 Experiment device and measuring point layout of
cylindrical shell (unit: mm)
了采用 DPS 阵列研究柱壳破裂时间的原理，认
为柱壳表面形成的不等宽破片会造成其速度的不一致性，DPS 阵列布置于沿柱壳表面的环向局域内，保
证光纤探头组能跨越多条宏观裂纹，从而测得表面形成裂纹后速度历史剖面的差异，获得与金属柱壳断
裂有关的实时信息。图 2 所示高速摄影机采用氙灯照明系统光作为前照明光源，白纱布作为背景屏增
加对比度。转镜式分幅相机转速设定为 1.2×10 r/min，每幅图像的时间间隔为 0.5 μs，可获得 40 幅图像，
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获取从表面裂纹萌生到爆轰产物严重泄漏的膨胀断裂全过程。

DPS probe with DPS probe with

High-speed small spot medium spot
photography A B

Shell
device

C
D

图 2 高速摄影及 DPS 阵列速度测量布局
Fig. 2 Layout of high-speed photography and DPS array velocity measurement
2 数值模拟

忽略传爆药和雷管细节，根据装置各部件尺寸，采用轴对称模型进行建模（对称轴为 x 轴）。空心炸
药爆炸驱动柱壳计算模型如图 3 所示，包括 TNT 炸药、PBX、单层或双层金属柱壳。采用 SPH 方法进行
计算，粒子尺寸为 0.1 mm，粒子数量为 455 050。TNT 采用中心点起爆，当爆轰波传到 PBX 界面时，采用
Lee-Tarver 点火增长模型的压力引爆模式控制 PBX 起爆（采用相似的炸药相关参数，仅为起爆阈值）。
PBX 采用 JWL 状态方程描述，45 钢柱壳采用 Johnson-Cook（J-C）本构模型和 Grüneisen 状态方程描述。
建模时，双层柱壳界面留有 0.01cm 的间隙，内、外层柱壳的材料参数相同，采用 2 种材料编号进行区分，
柱壳损伤模式为 Grady 模型的层裂损伤模式 [20] ，临界失效应变为 0.15。45 钢、TNT 的材料参数取自材料
库，PBX 参数见文献 [21]。沿柱壳外表面布置 40 个测点（G1～G40），其中：G1 位于距柱壳上端 2 mm
处，各点间隔均为 5 mm，G21 为测速探头对应位置（距柱壳上端 102 mm）。单层柱壳的数值模拟时，将
图 3 所示双层柱壳替换为壁厚为 5 mm 的单层柱壳，其余材料参数和尺寸等不变。

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